Моделирование чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра с учетом изменения диэлектрической проницаемости

Моделирование чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра с учетом изменения диэлектрической проницаемости

При использовании емкостного принципа измерения в высокопроизводи-тельных микромеханических акселерометрах обеспечиваются низкий уровень шумов и энергопотребления, экономическая эффективность и надежность. Емкостные чувствительные элементы на основе изменения зазора между электродами, как правило, требуют управления с обратной связью, что повышает уровень сложности измерительной схемы и энергопотребление. Емкостные чувствительные элементы с изменением площади перекрытия электродов имеют хорошую линейность зависимости емкости от перемещения и большой диапазон измерений, но изготовить их труднее. В работе представлена и исследована модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции микромеханического акселерометра емкостного типа, функционирование которого основано на использовании изменения относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов за счет введения подвижной инерционной массы между электродами конденсаторов, перемещающейся под действием ускорения. В результате происходит изменение емкости в выходной измерительной цепи. Показано, что рассматриваемая модель обеспечивает высокую чувствительность к воздействию ускорения, стойкость к изменениям температуры и низкое остаточное механическое напряжение в чувствительном элементе. Моделирование и расчеты выполнены с применением программ Ansys и SolidWorks. Получено, что перемещение подвижной массы по оси чувствительности X более чем в 5 раз превышает перемещение подвижной массы по нерабочим осям, а изменение емкости между электродами по оси X почти в 2500 раз больше, чем изменения емкостей между электродами по нерабочим осям Z и Y . Расчеты показали, что при всех значениях воздействующего ускорения (до 30 g) механическое напряжение в чувствительном элементе значительно меньше предела прочности кремния, равного 440 МПа. Установлено, что вариации температуры от -40 до +85 С приводят к незначительным изменениям емкости по рабочей оси (0,0025-0,003 пФ). Это свидетельствует о температурной стабильности работы исследованного чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Результаты анализа показали, что разработанная и исследованная модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции обеспечивает высокую чувствительность микромеханического акселерометра и стабильность его параметров.
Йе Ко Ко Аунг
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Борис Михайлович Симонов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Сергей Петрович Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Поделиться